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FR3026982A1 - Materiau composite multicouche thermoplastiques /thermodurcissables - Google Patents

Materiau composite multicouche thermoplastiques /thermodurcissables Download PDF

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Abstract

La présente invention entend remédier aux inconvénients de l'art antérieur en proposant une solution qui consiste à réaliser un empilement multicouche de matériau pré-imprégné thermodurcissable (22) et de matériau pré-imprégné thermoplastique (21) pour former au final des produits (20) qui ont des performances de tenue aux chocs des composites améliorées et qui sont plus économiques. Un tel matériau composite multicouche (20) comporte au moins une couche comprenant un matériau thermodurcissable (22) et au moins une couche comprenant un matériau thermoplastique (21 ). Il comporte notamment n couches comprenant un matériau thermoplastique (21) qui alternent avec n-1 couches comprenant un matériau thermodurcissable (22), n étant au moins égal à 2.

Description

1 MATERIAU COMPOSITE MULTICOUCHE THERMOPLASTIQUE/THERMODURCISSABLE Domaine de l'invention La présente invention se rapporte au domaine des matériaux composites. Plus précisément, la présente invention se rapporte au domaine des matériaux composites multicouches réalisés avec des couches d'éléments pré-imprégnés à matrice thermoplastique et des couches d'éléments pré-imprégnés à matrice thermodurcissable.
La présente invention vise aussi le domaine aéronautique et particulièrement la fabrication de pièces avec des procédés de type réalisation de « tôlerie » ou emboutissage. Etat de la technique Aujourd'hui les structures réalisées en matériau composite thermodurcissable présentent comme principal inconvénient, une faible tolérance aux impacts qui peut entrainer des opérations de maintenance et de réparation coûteuses. Les types d'impact à considérer sont les impacts à faibles vitesses et à faibles énergies comme la chute d'outils lors des opérations d'assemblage des pièces ou de maintenance. Les énergies à considérer sont de l'ordre de 100 Joules au maximum.
On constate donc un besoin de développer des matériaux avec des tolérances aux impacts améliorées. Les composites à matrice thermoplastique sont une solution potentielle mais les coûts de cette famille de matériaux restent encore très élevés pour les applications structurales.
On a donc un besoin d'améliorer les performances de tenue aux chocs des composites avec de nouveaux concepts plus économiques. Aujourd'hui, pour tenter de remédier à ce problème, sont utilisés des matériaux composites de dernière génération présentant des propriétés de tolérance 3026982 2 aux impacts améliorées avec l'ajout de particules thermoplastiques entre les plis de stratification de pièces composites. Cependant, malgré ces améliorations de performance, le besoin n'est que partiellement satisfait et des problèmes de conductivité électrique insuffisante dans le sens de l'épaisseur de la pièce sont 5 apparus à cause de cette couche de forte épaisseur de résine pure non conductrice qui se retrouve entre chaque plis du stratifié. Une solution potentielle serait l'utilisation de composite à matrice thermoplastique, mais cette solution n'est pas généralisée pour des problèmes de coûts finaux élevés d'obtention de la structure finale.
10 On connaît depuis longtemps des composites stratifiés aluminium/fibre à base de polymères organiques/aluminium. Les polymères organiques sont typiquement des polyamides ou des polyesters. A titre d'exemple, les brevets européens N° EP 0056 288 B1 et EP 0 056 289 B1 (Technische Hogeschool Delft) divulguent un matériau stratifié, constitué de deux tôles minces en aluminium à traitement 15 thermique (notamment en alliages 2024 T3 et 7075 T6) enserrant une couche adhésive, dans laquelle sont noyées des fibres en polyparaphénylènetéréphtalamide (PPDT) ayant un module d'élasticité élevé, compris entre 50 GPa et 250 GPa. Plusieurs couches alternées de matière organique et d'aluminium peuvent ainsi être superposées. Ce type de matériau à base de fibres organiques ne peut pas 20 être utilisé à des températures élevées, typiquement au-delà de 120 °C à 130 °C, pour des durées prolongées. De plus, la maîtrise des contraintes résiduelles dans ces feuilles composites stratifiées est difficile. Le brevet européen N° EP 0 312 150 B1 (Structural Laminâtes Company) divulgue l'utilisation de fibres de carbone, aramide, polyéthylène ou verre sous forme 25 de filaments continus s'étendant parallèlement les uns aux autres dans au moins une direction. Ces fibres sont imprégnées par un adhésif thermoplastique. Les feuilles ou panneaux composites stratifiées sont précontraintes. La demande de brevet européen N° EP 0 323 60 Al (Akzo Nobel) divulgue un procédé de fabrication d'éléments structuraux pour fuselage d'avion incorporant des feuilles composites stratifiées, qui utilise des résines thermodurcissables, notamment des résines époxy. L'homme du métier désigne ces feuilles composites stratifiées par le 3026982 3 nom générique « Glare » (« GlassLaminate Aluminium ReinforcedEpoxy » en terminologie anglo-saxonne). Le brevet américain N° US 5,547,735 (Structural Laminâtes Company) décrit l'utilisation de tôles en alliage 5052 dans des complexes composites stratifiés. Le 5 brevet américain N° US 4,657,717 (Alcan International) décrit l'utilisation de tôles superplastiques dans de tels complexes. La demande de brevet WO 98/53989 (Akzo Nobel) divulgue un procédé de fabrication de feuilles composites stratifiées incorporant des tôles métalliques en alliages à base d'aluminium, cuivre, magnésium, acier ou titane. Les alliages préférés sont les alliages de type 2x24 T3 et 7x75 T6.
10 L'état de la technique, les procédés de fabrication, les caractéristiques et les applications des complexes stratifiés aluminium - fibre de verre de type Glare sont résumés dans l'article « Fibre Métal Laminâtes for High Capacity Aircraft » de A. Vlot, L.B. Vogelesang et TJ. deVries, 30* International SAMPE Technical Conférence, October 20-24, 1998, pages 456 - 470, et dans l'article « The Residual Strength of 15 Fibre Métal Laminâtes : Glare 2 and Glare 3 » de C.A.J.R. Nermeeren, 30th International SAMPE Technical Conférence, October 20-24, 1998, pages 471 - 482. Les composites sont très résistants à la charge, mais ont une faible résistance à l'impact, ainsi que de faibles propriétés statiques en cas de fissuration. L'aluminium est moins résistant à la charge, mais résiste mieux aux impacts, et il a une plus 20 grande zone plastique. Cette solution a été développée pour pallier le problème de tenue en fatigue des matériaux métalliques mais reste encore pénalisante sur la masse globale de la structure en comparaison avec une structure entièrement en composite à matrice organique. Exposé de l'invention 25 La présente invention entend remédier aux inconvénients de l'art antérieur en proposant une solution qui consiste à réaliser un empilement multicouche de matériau pré-imprégné thermodurcissable et de matériau pré-imprégné thermoplastique pour former au final des produits qui ont des performances de tenue aux chocs des composites améliorées et qui sont plus économiques.
30 A cet effet, la présente invention concerne selon un premier aspect, un matériau composite multicouche comportant au moins une couche comprenant un 3026982 4 matériau thermodurcissable et au moins une couche comprenant un matériau thermoplastique. Dans des modes de réalisation n couches comprenant un matériau thermoplastique alternent avec n-1 couches comprenant un matériau 5 thermodurcissable, n étant au moins égal à 2. Dans des modes de réalisation les couches comprenant un matériau thermodurcissable sont des couches doubles. Un avantage du matériau composite multicouche selon l'invention est de pouvoir être transformé par emboutissage à chaud, à une température supérieure ou 10 égale à la température de transition vitreuse des matériaux qu'il comporte. De plus, il est possible d'utiliser avec ce matériau composite multicouche, toutes les techniques de soudage normalement utilisées avec le thermoplastique, notamment sans matériau d'apport ou par assemblage classique par rivetage. Enfin, de manière générale, ce matériau composite multicouche est très économique et possède une 15 bonne résistance à l'impact. Dans des modes de réalisation le matériau thermodurcissable est de la résine époxy. Dans des modes de réalisation le matériau thermodurcissable est de la fibre de carbone.
20 Dans des modes de réalisation le matériau composite multicouche comporte un nombre de couches supérieur ou égal à 3 et inférieur ou égal à 300. Dans des modes de réalisation le matériau composite multicouche est d'une épaisseur comprise entre 1 mm et 60 mm. Selon un deuxième aspect, la présente invention vise l'utilisation d'un 25 matériau composite multicouche objet de la présente invention, comme élément structural. Dans des modes de réalisation le matériau composite multicouche est utilisé comme élément structural en construction aéronautique.
3026982 5 Dans des modes de réalisation le matériau composite multicouche est utilisé comme élément structural d'un aéronef. L'utilisation du matériau composite multicouche pour de la tôlerie permet de réduire les coûts de production des pièces composites en éliminant la phase de 5 cuisson et de drapage en forme des pièces composites traditionnelles. Selon un autre aspect, la présente invention vise un élément structural comportant un matériau composite multicouche objet de la présente invention. Dans des modes de réalisation, il s'agit d'un élément structural d'aéronef qui comporte un matériau composite multicouche objet de la présente invention.
10 Brève description des dessins L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui suit et à l'examen des figures qui l'accompagnent. Ces figures ne sont données qu'à titre illustratif mais nullement limitatif de l'invention. La Figure 1 illustre un matériau composite multicouche objet de la présente 15 invention dans lequel 2 couches comprenant un matériau thermoplastique alterne avec une couche comprenant un matériau thermodurcissable, selon un mode de réalisation. La Figure 2 illustre un matériau composite multicouche objet de la présente invention dans lequel des doubles couches comprenant chacune un matériau 20 thermodurcissable alternent avec une couche simple comprenant un matériau thermoplastique, selon un mode de réalisation. Description détaillée des modes de réalisation Pour la réalisation du produit multicouche 20 comme illustré en Figure 1 ou 2, des moyens classiques de dépôt automatisé de couche de pré-imprégné 25 thermodurcissable 22 sur pré-imprégné thermoplastique 21 sont utilisés avec polymérisation en étuve ou autoclave du pré-imprégné thermodurcissable 22 sur le multicouche formé. Des moyens continus peuvent aussi être utilisés pour la production de produits 20 de grande longueur.
3026982 6 Afin d'améliorer la compatibilité entre les deux matériaux thermodurcissable 22 et thermoplastique 21 en présence au sein du matériau composite multicouche 20, une méthode pour créer une zone d'interphase 23 (Figure 1) avec diffusion réciproque des deux matériaux l'un dans l'autre pour augmenter la liaison entre ces 5 deux matériaux peut être utilisée. La définition du nombre de couches, de l'épaisseur de chaque couche et de l'orientation des fibres de chaque couche dépend de l'application visée mais peut aussi aboutir à des produits standardisés. Pour l'utilisation du matériau composite multicouche 20 en tant qu'élément de 10 structure, par exemple élément structural d'aéronef, la mise en oeuvre se fait dans des moyens chauffant traditionnels de fabrication de composite (étuve, autoclave,...) mais qui sont utilisés uniquement pour la mise en forme à chaud des éléments de structure sans avoir à réaliser la phase de polymérisation du matériau thermodurcissable 22, opération qui est effectuée au préalable lors de la réalisation 15 du matériau composite multicouche 20. Les éléments de structure sont mis en forme par emboutissage à chaud puis soudés entre eux ou à d'autres éléments sans matériau d'apport si les couches de surface sont en thermoplastique ou par assemblage classique par rivetage. Le matériau thermodurcissable 22 utilisé est choisi parmi les familles 20 époxydes, bismaléimides, polyimides ou toute autre famille thermodurcissable. Par exemple on peut utiliser les matériaux thermodurcissables 22 suivants, bien connus de l'homme du métier : Epoxyde/amine, Bismaléim ides, Polyimides, Cyante-Ester, Benzoxazyne, Polyesters. Le matériau thermoplastique 21 utilisé est choisi parmi les polyamides, les 25 Polyaryléthercétone (PAEK), les polyoléfines ou toutes autres familles de résine thermoplastiques. Par exemple on peut utiliser les matériaux thermoplastiques 21 suivants, bien connus de l'homme du métier : PA6, PA11, PA12, PA66, polyphenylene sulfide (PPS), polyétheréthercétone (PEEK), polyéthers cétone cétone (PEKK).
30 Pour l'utilisation en tant qu'élément de structure d'aéronef et plus précisément un élément de fuselage, voilure ou empennage, le matériau composite multicouche 3026982 7 20 comporte entre 3 et 300 couches. De plus dans des conditions similaires, le matériau composite multicouche 20 est d'une épaisseur comprise entre 1 mm et 60 mm. Ces caractéristiques sont choisies afin d'obtenir pour les éléments de structures concernés, une bonne résistance aux impacts tout en conservant un poids et une 5 taille adéquat pour la réalisation et le bon fonctionnement de l'aéronef. A titre d'exemple on peut définir un matériau composite multicouche 20 selon l'invention comportant 15 couches avec une alternance des couches thermoplastiques et thermodurcissables. Chaque couche a une épaisseur de 200pm. Les couches externes sont en matériau thermoplastique 21 pour pouvoir permettre 10 un assemblage par soudage en recouvrement des pièces à assembler. 15

Claims (11)

  1. REVENDICATIONS1. Matériau composite multicouche (20) comportant au moins une couche comprenant un matériau thermodurcissable (22) et au moins une couche comprenant un matériau thermoplastique (21), caractérisé en ce que n couches comprenant un matériau thermoplastique (21) alternent avec n-1 couches comprenant un matériau thermodurcissable (22), n étant au moins égal à2.
  2. 2. Matériau composite multicouche (20) selon la revendication 1, dans lequel les couches comprenant un matériau thermodurcissable (22) sont des couches doubles.
  3. 3. Matériau composite multicouche (20) selon une des revendications 1 à 2, dans lequel le matériau thermodurcissable (22) est choisi parmi un époxyde, un bismaléimide et un polyimide.
  4. 4. Matériau composite multicouche (20) selon la revendication 3, dans lequel le matériau thermodurcissable (22) est de la résine époxy.
  5. 5. Matériau composite multicouche (20) selon une des revendications 1 à 2, dans lequel le matériau thermodurcissable (22) est de la fibre de carbone.
  6. 6. Matériau composite multicouche (20) selon une des revendications 1 à 5, dans lequel le matériau thermoplastique (21) est choisi parmi un polyamide, un Polyaryléthercétone (PAEK) et un polyoléfine.
  7. 7. Matériau composite multicouche (20) selon une des revendications 1 à 6, dans lequel le matériau composite multicouche (20) comporte un nombre de couches supérieur ou égal à 3 et inférieur ou égal à 300.
  8. 8. Matériau composite multicouche (20) selon une des revendications 1 à 7, dans lequel le matériau composite multicouche (20) est d'une épaisseur comprise entre 1 mm et 60 mm. 3026982 9
  9. 9. Utilisation d'un matériau composite multicouche (20) selon une des revendications 1 à 8, comme élément structural en construction 5 aéronautique.
  10. 10. Utilisation d'un matériau composite multicouche (20) selon une des revendications 1 à 8, comme élément structural d'un aéronef. 10
  11. 11. Elément structural d'aéronef comportant un matériau composite multicouche (20) selon une des revendications 1 à 8.
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